Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài Cùng với phát triển Vật lí học, ngày có nhiều ngành kỹ thuật đời Nhưng nói chung ngành khoa học ngày yêu cầu độ xác cao ngành kỹ thuật đòi hỏi phải có công nghệ tiên tiến để đem lại hiệu cao kinh tế giảm tối đa vai trò người khâu sản xuất Gần có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, đưa đề xuất sử dụng cảm biến áp điện ngành kỹ thuật ngành khoa học thực nghiệm Ngày nay, cảm biến chấp hành áp điện sử dụng rộng rãi ngành kỹ thuật : Các dây truyền tự động hóa, ngành công nghệ vi điện tử, viễn thông, công nghệ Na-nô v.v…được sử dụng thiết bị đo đạc, nghiên cứu v.v… ngành khoa học đòi hỏi độ xác cao Nguyên lý hoạt động chủ yếu cảm biến áp điện dựa hiệu ứng áp điện Cấu tạo không phức tạp vật liệu chế tạo đơn giản Có nhiều ứng dụng quan trọng thực tế Trong học phần chuyên đề tự chọn, tìm hiểu số loại cảm biến điển hình có nhiều ứng dụng thực tế có cảm biến áp điện Được quan tâm giúp đỡ thầy cô giáo khoa Vật lí trường ĐHSP Hà Nội đặc biệt tận tình hướng dẫn TS Đinh Văn Dũng (trường ĐHSP Hà Nội 2) TS Trịnh Quang Thông (trường ĐH Bách Khoa Hà Nội) định chọn đề tài: “ Đặc tính đàn hồi vật rắn” Với mong muốn hiểu sâu cảm biến áp điện ứng dụng khoa học, kỹ thuật đời sống Trường ĐHSP Hà Nội -1- Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí II Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến áp điện ứng dụng quan trọng cảm biến – hệ chấp hành áp điện khoa học, kỹ thuật đời sống III Đối tượng nghiên cứu - Cảm biến – hệ chấp hành áp điện - Những ứng dụng cảm biến – hệ chấp hành áp điện IV Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu - Tìm hiểu kiến thức - Hệ thống hóa kiến thức Trường ĐHSP Hà Nội -2- Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Chương HIỆU ỨNG ÁP ĐIỆN VÀ MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN TIÊU BIỂU I Hiệu ứng áp điện Hiện tượng áp điện tượng xuất phân cực điện thay đổi phân cực có số chất điện môi tự nhiên (Thạch anh, Tuamalin) nhân tạo (Sun phát liti, Thạch anh tổng hợp, gốm áp điện…) chúng bị biến dạng tác dụng lực có chiều định Cơ chế hiệu ứng áp điện: Xét loại vật liệu áp điện tiêu biểu Thạch anh Cơ chế áp điện thạch anh giải thích mô hình cổ điển Tinh thể thạch anh (SiO2) thuộc hệ mặt thoi Hình Mặt cắt theo trục quang tinh thể thạch anh 1.1 Không có lực tác dụng; 1.2 Có lực tác dụng Hình biểu diễn mặt cắt vuông góc với mặt quang OZ ba phần tử SiO2 , ba phần tử cấu thành nên ô mạng sở tinh thể thạch anh Khi ứng lực trọng tâm G+ điện tích dương Si+ G- điện tích âm O- trùng trùng với tâm O (hình 1.1), Mômen lưỡng cực điện tổng hợp Khi có ứng lực tác dụng lên cấu trúc giả sử theo phương OX Cấu trúc mạng bị biến đổi (hình 1.2) Lúc co vào theo hướng OX dãn theo phương trục OY Các trọng tâm G+ điện tích dương Si+ G- điện tích âm O- không trùng kết xuất mômen lưỡng cực điện điện tích bề mặt [1] Trường ĐHSP Hà Nội -3- Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Hiệu ứng áp điện hiệu ứng thuận nghịch Nếu tác dụng lực có chiều định vào phiến áp điện làm cho bị biến dạng dẫn đến thay đổi phân cực điện Nếu hai mặt phiến áp điện có phủ lớp điện cực xuất lối hai điện cực hiệu điện thế, hiệu điện tỉ lệ với lực tác dụng Nếu gọi: Q: Là điện tích dịch chuyển F: Lực tác dụng K: Là hệ số tỉ lệ (phụ thuộc vào vật liệu áp điện) Ta có: Q = K.F gọi hiệu ứng áp điện thuận Ngược lại tác dụng điện trường có chiều thích hợp, vật liệu áp điện bị biến dạng hiệu ứng áp điện ngược II Một số loại vật liệu áp điện tiêu biểu II.1 Thạch anh Trong số loại vật liệu áp điện thạch anh quan tâm hàng đầu tính ổn định có độ cứng cao Các đặc tính lí hóa thạch anh [1]: - Thành phần: chủ yếu Silic ô xít (SiO2) - Cấu trúc tinh thể: hệ mặt thoi - Điện trở suất: 1012Ω.m - Ứng lực cực đại: 108N.m-2 - Nhiệt độ sử dụng: 5500C II.2 Gốm áp điện Các vật liệu gốm sử dụng nhiều để thay cho tinh thể áp điện có ưu điểm bật như: dễ sản xuất, giá thành lại rẻ Trường ĐHSP Hà Nội -4- Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Họ gốm thường dùng để chế tạo cảm biến PZT (hỗn hợp ôxít chì, zirconi titan) Công thức chung họ gốm PbTi1-xZrxO3, giá trị x xấp xỉ 0,5 định tính chất vật lí tính chất nhiệt vật liệu PZT có ưu điểm sau: - Độ nhạy cao; - Độ thẩm thấu lớn nên cảm biến có điện dung cao chịu ảnh hưởng điện dung kí sinh; - Độ bền học cao; - Có thể điều chỉnh nhiệt độ Curie cách thay đổi tỉ lệ thành phần; Tuy nhiên họ gốm có số nhược điểm sau: - Môđun áp điện độ thẩm thấu điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ; - Có trễ nhiệt nghĩa đặc trưng gốm phụ thuộc vào chế độ nhiệt trước Đặc tính làm tăng độ già hóa vật liệu [3] Trường ĐHSP Hà Nội -5- Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Chương CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN I Những biến dạng cách ghép nối phiến áp điện Các biến dạng áp điện xác định chế độ làm việc áp điện + 2.1 + 2.2 + + 2.3 2.4 Hình Các biến dạng phiến áp điện Có loại biến dạng sau: - Biến dạng theo chiều dọc (h.2.1) - Biến dạng theo chiều ngang (h.2.2) - Biến dạng theo bề dày (h.2.3) - Biến dạng cắt theo bề mặt (h.2.4) Vì lí cấu trúc chế độ làm việc cảm biến đơn giản độ nhạy người ta ghép phiến áp điện nối theo cực để nhận biến dạng chiều hay ngược chiều Có hai loại ghép nối chủ yếu: Trường ĐHSP Hà Nội -6- Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí + _ + _ _ + _ + _ + + _ 3.1 3.2 Hình Ghép phần tử áp điện - Ghép song song: Ghép hai áp điện giống hình 3.1 Trong trường hợp điện dung điện tích cảm biến tăng lên gấp đôi so với trường hợp dùng áp điện - Ghép nối tiếp: Ghép hai áp điện giống hình 3.2 Trong trường hợp điện áp mạch hở trở kháng tăng lên gấp đôi, điện dung giảm xuống lần so với trường hợp có áp điện + + + + + + + + - + -_ + + + + + + + + - - + 4.1 4.2 Hình Ghép nhiều phiến điện 4.1 Ghép song song; 4.2 Ghép nối tiếp Trường ĐHSP Hà Nội -7- Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Nguyên tắc việc ghép hai phiến áp điện áp dụng cho việc ghép nhiều tụ với Tức ghép song song hay nối tiếp nhiều phiến áp điện với (hình 4) II Cảm biến đo lực dựa vòng đệm thạch anh Các cảm biến áp điện đo lực thường chế tạo dạng vòng đệm thạch anh Nếu vòng đệm thạch anh nhạy với lực nén dọc trục, diện tích bề mặt vòng đệm chịu tác dụng lực nén định tới giới hạn dải đo Khoảng vài kN (đối với đường kính cỡ cm) đến 103kN (khi đường kính đạt tới 10 cm) Vì lí mà vòng đệm thạch anh chế tạo với đường kính khác để sử dụng cho dải đo khác Ta dùng ứng lực đặt vào vòng đệm để mở rộng phạm vi sử dụng cảm biến Thường dùng để đo lực kéo lực nén Trong trường hợp đo lực kéo đo giảm sút ứng lực ban đầu II.1 Cấu tạo Có thể dùng vòng đệm thạch anh cắt theo hướng khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện sử dụng ta chế tạo vòng đệm nhạy theo hướng xác định lực II.2 Nguyên tắc hoạt động Thạch anh có năm hệ số áp điện d11, d12, d14, d25, d26 Trong đó: - d11 nhạy với lực nén; - d12, d14 nhạy với lực cắt theo chiều ngang; - d25 nhạy với lực cắt theo bề mặt; - d26 nhạy với lực cắt theo bề dày Như vòng đệm cắt theo X (hình 5.1) nhạy với lực nén có d11, lực tác động lên cạnh bên không ảnh hưởng đến hiệu ứng vòng đệm, ứng lực có hiệu ứng không liên quan đến hệ số Trường ĐHSP Hà Nội -8- Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí áp điện d12, d14 Và vòng đệm cắt theo Y (hình 5.2) nhạy với lực cắt theo bề dày có d26 Bằng cách lắp ráp khí không gây nên hiệu ứng với ứng lực liên quan tới hệ số d25 [1] 5.1 5.1 Hình Vòng đệm cắt theo X Y 5.1 Cắt theo X 5.2 Cắt theo Y II.3.Ứng dụng Dùng để chế tạo cảm biến thạch anh nhiều thành phần Ta quan tâm đến hai loại cảm biến thạch anh nhiều thành phần là: - Cảm biến thạch anh ba thành phần (hình 6): có cấu tạo hình trụ gồm ba cặp vòng tròn ghép với nhau, cặp nhạy với lực nén Fx hai cặp nhạy với lực cắt Fy Fz theo hướng vuông góc với Fx Hình Cảm biến thạch anh ba thành phần vuông góc Cảm biến thạch anh ba thành phần hoạt động theo nguyên tắc hoạt động vòng tròn trang bị nhiều vòng đệm có chức mắc song song điện (hình 7) Trường ĐHSP Hà Nội -9- Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Hình Cảm biến thạch anh ba thành phần (trên vòng có ghép nhiều vòng đệm)   - Cảm biến hai thành phần (hình 8): Lực nén F momen M biểu diễn hình vẽ   Hình Cảm biến thạch anh hai thành phần F M Để đo mômen, vòng đệm nhạy với lực cắt ghép thành vòng tròn cho trục nhạy cảm đặt theo phương tiếp tuyến với chu vi vòng tròn Như cảm biến loại cần có ngẫu lực đặt trước vào thành phần theo hướng trục lực cắt truyền ma sát Trường ĐHSP Hà Nội - 10 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Khác bản: - Động điện dùng dùng nguyên lý điện từ, phát từ cuộn dây quấn quanh lõi thép từ stator đẩy rotor gây momen lực Còn động áp điện lợi dụng tính chất biến đổi hình dạng vật liệu áp điện vào stator để biến lượng điện thành sóng học đẩy rotor chạy mà không thông qua từ loại động truyền thống [3] IV Ưu điểm động áp điện - Không làm nhiễu dòng điện mạch điện tử, từ gây nên không xác hệ thống không tạo nên từ trường hoạt động - Không gây hư hỏng lặt vặt, bền Chỉ hỏng vật liệu mòn mỏi cấu tạo đơn giản phận (chỉ có rotor stator đẩy nhau, chổi quét, cuộn dây, nên không bị cháy dây) - Hoạt động xác, ví dụ ta muốn cho quay nửa vòng quay 180 độ ngừng lại, điều khó khăn cần nhiều phận phức tạp với động truyền thống làm điều - Khi ngừng lại không cần lượng để giữ vị trí dừng Điều có ý nghĩa chế tạo tự động - Không gây tiếng động mà tai người nghe hoạt động với tầng số siêu âm nên Đây chức tuyệt vời động áp điện - Có thể chế tạo với kích thước nhỏ tùy ý, điều cho phép vượt xa loại động truyền thống yêu cầu kích thước nhỏ phù hợp với ứng dụng - Hiệu suất cao nhiều so với động truyền thống, không lượng cho việc làm nóng cuộn dây, chổi quét lõi thép - Có thể điều chỉnh ngược, xuôi với tốc độ tùy thích Đây đặc điểm ưu việt Trường ĐHSP Hà Nội - 18 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí - Khối lượng nhẹ nhiều so với loại động truyền thống công suất - Không nguy hiểm cháy nổ chập điện loại động này, gồm đĩa có khả tạo sóng học đẩy đĩa xoay tròn [3] V Một số ứng dụng động áp điện Một ứng dụng phổ biến động áp điện động uốn lượn (hình 17), động cho chuyển động thẳng Cấu tạo giống bulông dài vặn vào tròn có ren, có bulông làm vật liệu áp điện có ren làm kim loại hay vật liệu khác Nếu bình thường ta vặn tròn không dịch chuyển bulông, ren tiến theo chiều tùy theo chiều ren chiều vặn bulông Nhưng bulông làm vật liệu áp điện, thiết kế bulông áp điện theo kiểu uốn lượn cho bên bulông lúc hở lúc áp vào ren, áp vào lại xoay theo chiều tương tự lúc vặn bulông Kết điều chỉnh ren lên xuống làm nhiệm vụ giống động chuyển động thẳng Hình 17 Mô hình nguyên lý cấu tạo động áp điện kiểu uốn lượn Bulông Thanh ren Động áp điện với ưu điểm vượt trội nên ứng dụng nhiều ngành khoa học đòi hỏi yêu cầu độ xác cao y học, công nghệ thông tin truyền thông v.v Thí dụ tán sỏi thận phải đưa qua Trường ĐHSP Hà Nội - 19 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí ống đưa động vào thận để tán sỏi Vì động điện làm nhỏ nên ống đưa vào phải có đường kính lớn cỡ milimét đưa lượng động nhỏ nhất, ống to dễ làm cho bệnh nhân bị đau cảm thấy khó chịu Nay có động điện có đường kính cỡ 1,8 milimét nên ống đưa vào có đường kính nhỏ vào cỡ milimét nên bệnh nhân cảm thấy dễ chịu Cũng nội soi, cuối ống nội soi phải có gương điều khiển động ánh sáng theo đường ống dẫn quang phản xạ chiếu rộng nhiều chỗ ví dụ ống tiêu hoá Trong trường hợp dùng động điện có kích thước nhỏ so với động điện có kích thước lớn nhiều Trong công nghệ thông tin truyền thông động áp điện sử dụng rộng rãi điện thoại di động Điện thoại di động chụp ảnh được, muốn chụp ảnh có chất lượng cao phải dùng động áp điện để điều khiển ống kính lui tới zoom v.v… [2] Trường ĐHSP Hà Nội - 20 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Chương BỘ QUÉT ÁP ĐIỆN VÀ KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ AFM I Bộ quét áp điện Nguyên lý hoạt động quét áp điện dựa trện hiệu ứng áp điện ngược Cấu tạo quét áp điện đơn giản gồm làm vật liệu áp điện, hai mặt bên có phủ lớp dẫn điện để làm điện cực ~ ~ 18.1 18.2 Hình 18 Bộ quét áp điện có điện tác dụng bị co lại 18.1 Khi chưa có điện 18.2 Khi có điện Tác dụng hiệu điện vào cực, áp điện co lại hay dãn nhiều hay theo chiều hiệu điện tác dụng (hình 18) Nếu cố định đầu mút áp điện, cách thay đổi hiệu điện điều khiển đầu mút áp điện dịch chuyển Ví dụ với vật liệu áp điện Gốm PZT áp điện dài cm, tác dụng hiệu điện hai đầu khoảng 100 Vôn đầu mút dịch chuyển khoảng 1μm Nếu thay đổi hiệu điện nấc, nấc phần 10 milivôn, đầu mút áp điện bị dịch chuyển theo bước, bước khoảng 0,1 nanômét Khoảng cách hai nguyên tử vật rắn vào cỡ khoảng 0,3 đến 0,4 nanômét Vì với điện áp xác định nhờ điều khiển điện ta dịch chuyển học với khoảng cách nhỏ khoảng cách nguyên tử vật rắn Trường ĐHSP Hà Nội - 21 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Để di chuyển xác theo ba chiều không gian, người ta ghép ba áp điện vuông góc nối đuôi nhau, quét áp điện cho phép tạo dịch chuyển tuỳ ý với độ xác cỡ nguyên tử x, y z Hình 19 Bộ quét áp điện có dạng ống nằm thớt Phần ống Phần thớt Tuy nhiên ghép ba áp điện theo đôi nối đuôi đôi vuông góc dài, dễ bị rung nên người ta cải tiến, làm quét vật liệu áp điện dạng ống nằm thớt (hình 19) hai cặp điện cực hai bên ống dùng để đưa điện áp vào để dịch chuyển qua lại theo hai chiều X Y Còn hai điện cực thớt để điều khiển dịch chuyển theo hướng Z Tất chi tiết gói hình trụ, bên có lớp vỏ bảo vệ, có sáu đầu nối với ba cặp cực bề mặt vật liệu áp điện [2] Với cách dịch chuyển học tinh vi quét áp điện có nhiều ứng dụng công nghệ đại, đặc biệt công nghệ na-nô Trường ĐHSP Hà Nội - 22 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí II Kính hiển vi lực nguyên tử Kính hiển vi lực nguyên tử hay kính hiển vi nguyên tử lực (tiếng Anh: Atomic force microscope [5], [7], viết tắt AFM) thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt vật rắn dựa nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử đầu mũi dò nhọn với bề mặt mẫu, quan sát độ phân giải nanômét, sáng chế Gerd Binnig, Calvin Quate Christoph Gerber vào năm 1986 AFM thuộc nhóm kính hiển vi quét đầu dò hoạt động nguyên tắc quét đầu dò bề mặt Bộ quét áp điện phận chủ yếu loại kính hiển vi Kính hiển vi lực nguyên tử [4] phóng đại tới hàng triệu lần, thấy nguyên tử bề mặt, thông dụng II.1 Cấu tạo Cấu tạo kính hiển vi lực nguyên tử hình vẽ (hình 20) Gồm: Bộ quét áp điện có tác dụng tạo nên dịch chuyển, mũi nhọn gắn vào đầu lò xo lá, nguồn laser, gương phản xạ, pin quang điện hai nửa, khuếch đại vi sai, điều khiển điện tử, hình hiển thị II.2 Hoạt động kính hiển vi lực nguyên tử AFM Mẫu cần nghiên cứu đặt quét áp điện, mẫu mũi nhọn gắn với đầu lò xo Mũi nhọn thường làm Si SiN kích thước đầu mũi nhọn nguyên tử (hình 21) Bộ điều khiển điện tử tạo điện tác dụng lên cực quét áp điện làm cho mẫu bị dịch chuyển, ví dụ dịch chuyển theo chiều X Vì chuyển động tương đối nên điều tương đương với việc mũi nhọn quét theo chiều X hàng có biên độ d mặt mẫu Cứ ta điều khiển để mũi nhọn quét nhiều hàng diện tích hình vuông mặt mẫu (có thể quét 500 đến 1000 hàng hình vuông) Trường ĐHSP Hà Nội - 23 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Màn hình hiển thị Bộ điều khiển điện tử Mạch phản hồi A Laser Gương phản xạ Lò xo + mũi nhọn Bộ khuếch đại B Pin quang điện hai nửa X, y z Hình 20 Hình vẽ nguyên lý cấu tạo hoạt động kính hiển vi lực nguyên tử AFM [2] Hình 21 Mũi nhọn gắn vào đầu lò xo Trường ĐHSP Hà Nội - 24 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Đồng thời với mũi nhọn quét bề mặt mẫu, điều khiển điện tử làm cho tia điện tử đèn hình CTR quét hình cách động Cụ thể mũi nhọn quét hàng thứ mẫu tia điện tử quét hình thứ nhất, hàng thứ hai, hàng thứ ba v.v… Việc quét mẫu hình đồng bộ, có điều khác mũi nhọn quét bề mặt mẫu hình vuông nhỏ có cạnh d, lúc tia điện tử quét hình hình vuông lớn có cạnh D lớn gấp hàng chục, hàng trăm nghìn lần d Cách quét mũi nhọn bề mặt mẫu đồng thời quét tia điện tử hình nhằm mục đích tạo ảnh phóng đại phương pháp quét, khác hẳn cách tạo ảnh phóng đại cách dùng thấu kính loại hiển vi thường thấy trước Cụ thể trường hợp hiển vi lực nguyên tử cách tạo ảnh sau: Do mũi nhọn có một vài nguyên tử đầu mút đưa lại gần sát bề mặt mẫu, nguyên tử mũi nhọn bị nguyên tử mặt mẫu tác dụng Lực lực tác dụng nguyên tử hay gọi tắt lực nguyên tử Hình 22 Sự biến đổi lực tương tác mũi dò bề mặt mẫu theo khoảng cách Khi dịch chuyển mũi nhọn bề mặt mẫu, chỗ mặt mẫu nhô lên tức gần mũi nhọn hơn, lực nguyên tử lớn hơn, mũi nhọn bị tác dụng mạnh Ngược lại mặt mẫu lõm xuống nguyên tử xa nhau, mũi nhọn bị Trường ĐHSP Hà Nội - 25 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí tác dụng yếu Sự biến đổi lực tương tác thể qua đồ thị hình 22 Người ta đo lực nguyên tử mạnh hay yếu cách gắn mũi nhọn lò xo đo độ uốn cong lò xo nhờ hệ quang điện (đó pin quang điện hai nửa, gương phản xạ, nguồn laser, khuếch đại vi sai) Tia laser tập trung chiếu vào điểm nhỏ lò xo tia phản xạ phải đoạn đường dài nên bị loe chiếu vào pin quang điện tạo thành diện tích sáng tròn sang cỡ đồng xu Tấm pin quang điện gồm hai nửa Khi mũi nhọn không bị hút, lò xo nằm ngang tia phản xạ điều chỉnh cho diện tích tròn sáng chiếu hai nửa pin quang điện, dòng quang điện sinh hai nửa pin quang điện nhau, hiệu chúng không Nhưng mũi lò xo bị hút, lò xo bi uốn cong xuống diện tích tròn sáng chạy lên, nửa pin quang điện chiếu sáng nhiều nửa dưới, hiệu dòng quang điện hai nửa pin quang điện có giá trị phụ thuộc vào lò xo bị uốn cong nhiều hay ít, mà thực chất bề mặt mẫu bị nhô lên hay bị lõm xuống Người ta khuếch đại dòng quang điện nhờ khuếch đại vi sai dùng để điều khiển độ sáng tối chùm tia điện tử quét hình Kết hình ta thấy chỗ sáng tối tương ứng với chỗ lồi lõm mẫu Đây ảnh AFM cho biết độ lõm bề mặt mẫu Độ phóng đại ảnh D với D biên độ quét hình d biên độ d mẫu Ví dụ tia điện tử quét hình với D định cỡ 20cm Nếu điều khiển quét áp điện cho mũi nhọn quét mẫu với d = 1mm, độ phóng đại ảnh là: D 20cm   200 d 1mm Nhưng mũi nhọn quét với biên độ nhỏ 1μm độ phóng đại ảnh là: Trường ĐHSP Hà Nội - 26 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí D 20cm   200.000 d 1 m Người ta điều khiển để ảnh AFM có độ phóng đại lớn xấp xỉ triệu lần, thấy nguyên tử bề mặt mẫu II.3 Ưu nhược điểm kính hiển vi lực nguyên tử AFM II.3.1 Ưu điểm - AFM chụp ảnh bề mặt tất loại mẫu kể mẫu không dẫn điện - AFM không đòi hỏi môi trường chân không cao, hoạt động môi trường bình thường (có thể làm việc môi trường không khí, môi trường tự nhiên nước, dung dịch v.v…) quan trọng việc nghiên cứu vật sống tế bào, virut… - AFM tiến hành thao tác di chuyển xây dựng cấp độ nguyên tử, tính mạnh cho công nghệ nano Đồng thời AFM hoạt động mà không đòi hỏi phá hủy hay có dòng điện nên hữu ích cho tiêu sinh học [6] II.3.2.Nhược điểm - AFM quét ảnh diện tích hẹp (tối đa đến 150 micromet) - Tốc độ ghi ảnh chậm hoạt động chế độ quét - Chất lượng ảnh bị ảnh hưởng trình trễ quét áp điện - Đầu dò rung bề mặt nên an toàn, đồng thời đòi hỏi mẫu có bề mặt chống rung [3] Trường ĐHSP Hà Nội - 27 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Chương MÁY ĐO GIA TỐC ÁP ĐIỆN Theo nguyên lí học, gia tốc mối quan hệ lực khối lượng Mọi cảm biến gia tốc dựa tượng vật lí sử dụng mối quan hệ lực khối lượng để nhận đại lượng điện thông tin gia tốc cần đo Máy đo gia tốc áp điện hoạt động nguyên tắc vậy, mối quan hệ lực khối lượng máy đo gia tốc áp điện mối quan hệ khối lượng dung phản lực tác dụng lên vật liệu áp điện I Nguyên tắc chung Trong cảm biến gia tốc áp điện, khối lượng dung đặt phần tử áp điện Phần tử cung cấp điện tích tỉ lệ với phản lực nghĩa với chuyển động khối lượng dung Cảm biến khối lượng dung gắn giá đỡ cứng toàn khối lượng đặt hộp kín Thông thường cần phải đo gia tốc theo hai hướng dọc theo trục nhạy cảm Cách thức để giữ học vật liệu áp điện phương tiện để gắn chúng khác phụ thuộc vào chất lực tác dụng (nén, kéo, cắt) nói chung cần phải có ứng lực học đặt trước lên phần tử nhạy cảm để mở rộng dải đo gia tốc theo hai chiều Điều thực được, thực phải dựa vào dạng hoạt động vật liệu (kéo, cắt uốn) Vì có loại máy đo gia tốc áp điện khác II Máy đo gia tốc áp điện kiểu nén Cấu tạo loại máy mô tả hình 23 Cấu tạo gồm: Vỏ bọc Phiến áp điện Lò xo Dầu Khối lượng dung Đế Trường ĐHSP Hà Nội - 28 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Hình 23 Hình vẽ nguyên lý cấu tạo máy đo gia tốc áp điện kiểu nén Máy đo gia tốc loại để đo gia tốc dọc theo trục nhạy cảm Loại máy đo gia tốc áp điện kiểu nén hoạt động sau: Cảm biến gắn vào vật cần đo gia tốc, vật cần đo gia tốc chuyển động có vận tốc thay đổi quán tính tác dụng lên khối lượng rung làm cho dịch chuyển dọc trục nhạy cảm Do làm thay đổi ứng lực đặt vào cảm biến lúc ban đầu dựa vào thay đổi ứng lực tìm gia tốc vật chuyển động Đặc điểm loại máy tần số cộng hưởng cao, chắn, nhạy với ứng lực đế [1] III Máy đo gia tốc áp điện kiểu uốn cong Phiến áp điện Khối lượng rung Đầu Hình 24 Máy đo gia tốc áp điện kiểu uốn Trường ĐHSP Hà Nội - 29 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Máy đo gia tốc áp điện kiểu uốn cong có cấu tạo hình 24 Phần tử máy đo gia tốc áp điện kiểu uốn cong hai phiến áp điện mỏng dán với Một đầu hai phiến áp điện gắn với khối lượng rung Cấu trúc cho độ nhạy cao nhiên dải làm việc bị hạn chế gia tốc rung thấp tần số nhỏ [1] Trường ĐHSP Hà Nội - 30 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí KẾT LUẬN Đề tài khóa luận “Cảm biến – Hệ chấp hành áp điện ứng dụng” đạt kết sau: Thu thập tài liệu, tìm hiểu hệ thống kiến thức hiệu ứng áp điện loại vật liệu áp điện tiêu biểu thạch anh gốm áp điện Thu thập tài liệu, tìm hiểu hệ thống kiến thức loại cảm biến áp điện tiêu biểu Thu thập tài liệu, tìm hiểu hệ thống kiến thức động áp điện Thu thập tài liệu, tìm hiểu hệ thống kiến thức quét áp điện, kính hiển vi lực nguyên tử Thu thập tài liệu, tìm hiểu hệ thống kiến thức máy đo gia tốc áp điện Cảm biến áp điện có nhiều ứng dụng thực tế nhiên thời gian hạn chế nên đề tài chưa tìm hiểu nhiều Dựa vào ứng dụng đưa đề xuất ứng dụng thực việc tương lai gần Trường ĐHSP Hà Nội - 31 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cảm biến, Phạm Quốc Phô – Nguyễn Đức Chiến, NXB Khoa học kỹ thuật, 2000 [2] Tạp chí Vật lí & tuổi trẻ, Hội Vật Lí Việt Nam, số 52 năm 2007, số 54 năm 2008 [3] Bách khoa tri thức mở_http://vi.wikipedia.org [4] Franz J Giessibl, Advances in atomic force microscopy, Rev Mod Phys 75, 949 - 983 (2003) [5] Yves F Dufrne, Atomic Force Microscopy Imaging and Force Spectroscopy of Microbial Cell Surfaces in Dekker Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, DOI: 10.1081/E-ENN-120016663, 20 April 2004 [6] Toyoko Arrai, Development of bias-voltage noncontact atomic force spectroscopy for the characterization of chemical bonding, JAPAN NANONET BULLETIN - 84th Issue - November 23, 2006 [7] Binnig, C F Quate and Ch Gerber, Atomic Force Microscope, Phys Rev Lett 56, 930 - 933 (1986) Trường ĐHSP Hà Nội - 32 - [...]... Cảm biến được gắn vào vật cần đo gia tốc, khi vật cần đo gia tốc chuyển động có vận tốc thay đổi quán tính tác dụng lên khối lượng rung làm cho nó dịch chuyển dọc trục nhạy cảm Do vậy làm thay đổi ứng lực đặt vào cảm biến lúc ban đầu dựa vào sự thay đổi ứng lực sẽ tìm được gia tốc của vật chuyển động Đặc điểm của loại máy này là tần số cộng hưởng cao, chắc chắn, nhạy với ứng lực của đế [1] III Máy đo... ngoài dải thông của cảm biến - Nhánh thứ hai: Nhánh chứa điện trở Rg là điện trở cách điện của vật liệu áp điện, ở tần số thấp nó trở thành trở kháng trong của cảm biến Trường ĐHSP Hà Nội 2 - 11 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí - Nhánh thứ ba: Chứa tụ điện Cg gán cho điện dung của máy phát điện tích, khi ở tần số trung bình và tần số cao nó trở thành trở kháng trong của cảm biến Trong... milivôn, đầu mút của thanh áp điện có thể bị dịch chuyển theo bước, mỗi bước khoảng 0,1 nanômét Khoảng cách giữa hai nguyên tử trong vật rắn vào cỡ khoảng 0,3 đến 0,4 nanômét Vì vậy với điện áp xác định nhờ điều khiển điện thế ta có thể dịch chuyển cơ học với khoảng cách nhỏ hơn khoảng cách giữa các nguyên tử trong vật rắn Trường ĐHSP Hà Nội 2 - 21 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Để di... Sơ đồ khối của bộ khuếch đại điện tích Bộ khuếch đại này được nối với đầu ra của cảm biến (hình 12) Sơ đồ của mạch ghép nối này được giải thích như sau: Điện tích Q của cảm biến được đưa đến tụ Cr của bộ chuyển đổi, làm cho tụ này tích điện Điện tích xuất hiện trên hai bản tụ này tỉ lệ với điện tích Q Nếu như hệ số khuếch đại vô cùng lớn, điện tích đầu vào Vε sẽ giảm dần tới không Trở kháng của bộ chuyển... dạng của các mẩu áp điện tạo thành sóng cơ học trên stator, sóng này sẽ đẩy rotor chuyển động xoay tròn hay thẳng Thí dụ nếu tác dụng điện thế trên hai mặt của phiến áp điện, phiến áp điện bị dãn ra, tạo nên chuyển động thẳng (hình 13) (+) A (-) Hình 13 Tạo dịch chuyển nhờ điện thế ở vật liệu áp điện Trường ĐHSP Hà Nội 2 - 15 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí II Cấu tạo và hoạt động của. .. có nhiều ứng dụng trong công nghệ hiện đại, đặc biệt trong công nghệ na-nô Trường ĐHSP Hà Nội 2 - 22 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí II Kính hiển vi lực nguyên tử Kính hiển vi lực nguyên tử hay kính hiển vi nguyên tử lực (tiếng Anh: Atomic force microscope [5], [7], viết tắt là AFM) là một thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác... làm bằng các vật liệu áp điện còn thanh có ren được làm bằng kim loại hay bất cứ vật liệu nào khác Nếu bình thường ta vặn tròn và không dịch chuyển bulông, thanh ren sẽ tiến theo một chiều nào đó tùy theo chiều ren và chiều vặn bulông Nhưng bulông được làm bằng vật liệu áp điện, có thể thiết kế bulông áp điện theo kiểu uốn lượn sao cho răng bên trong của bulông lúc hở ra lúc áp vào răng của thanh ren,... CN Vật Lí - Khối lượng nhẹ hơn nhiều so với loại động cơ truyền thống cùng công suất - Không nguy hiểm vì không có cháy nổ chập điện trong loại động cơ này, vì nó chỉ gồm một đĩa có khả năng tạo sóng cơ học đẩy đĩa kia xoay tròn [3] V Một số ứng dụng của động cơ áp điện Một ứng dụng rất phổ biến hiện nay của động cơ áp điện đó là động cơ uốn lượn (hình 17), động cơ này cho chuyển động thẳng Cấu tạo của. .. không khi đó ta sẽ tính được điện áp đầu ra V0 [1],[3] Trường ĐHSP Hà Nội 2 - 13 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Q+ Cr Q- dQ dt Rs Cảm biến+ dây cáp Cs Vε Vo bộ chuyển đổi Hình 12 Mạch ghép nối cảm biến với bộ chuyển đổi điện tích điện áp Điện áp đầu ra được tính theo công thức: V0 1  Q Cr Trường ĐHSP Hà Nội 2 - 14 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Chương 3 ĐỘNG... và zoom v.v… [2] Trường ĐHSP Hà Nội 2 - 20 - Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Chương 4 BỘ QUÉT ÁP ĐIỆN VÀ KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ AFM I Bộ quét áp điện Nguyên lý hoạt động của bộ quét áp điện đó là dựa trện hiệu ứng áp điện ngược Cấu tạo của bộ quét áp điện đơn giản nhất gồm một thanh làm bằng vật liệu áp điện, hai mặt bên có phủ một lớp dẫn điện để làm điện cực ~ ~ 18.1 18.2 Hình ... Có trễ nhiệt nghĩa đặc trưng gốm phụ thuộc vào chế độ nhiệt trước Đặc tính làm tăng độ già hóa vật liệu [3] Trường ĐHSP Hà Nội -5- Khóa luận tốt nghiệp Lều Thị Thoa K31D CN Vật Lí Chương CẢM BIẾN... chì, zirconi titan) Công thức chung họ gốm PbTi1-xZrxO3, giá trị x xấp xỉ 0,5 định tính chất vật lí tính chất nhiệt vật liệu PZT có ưu điểm sau: - Độ nhạy cao; - Độ thẩm thấu lớn nên cảm biến có... vật liệu áp điện tiêu biểu II.1 Thạch anh Trong số loại vật liệu áp điện thạch anh quan tâm hàng đầu tính ổn định có độ cứng cao Các đặc tính lí hóa thạch anh [1]: - Thành phần: chủ yếu Silic